Matriks Ekstraseluler Kulit (Olga Zinkevych/Shutterstock)
Upaya Breakthrough Upaya dalam Kedokteran Regeneratif
University Park, Pa.— Saat Anda menekan jari Anda ke kulit Anda, jaringan di bawahnya untuk sementara waktu untuk menahan tekanan. Potong diri Anda, dan jaringan Anda secara bertahap sembuh. Respons yang tampaknya sederhana ini terbukti sangat sulit untuk ditiru dalam bahan sintetis. Sekarang, para peneliti di Penn State telah membuat terobosan dengan mengembangkan hidrogel khusus yang sebenarnya dapat meniru perilaku jaringan yang kompleks ini.
Jaringan tubuh manusia didukung oleh perancah rumit yang disebut matriks ekstraseluler (ECM). Kerangka kerja alami ini memberikan dukungan struktural untuk sel dan membantu jaringan mempertahankan bentuk dan fungsinya. Ketika tekanan atau ketegangan diterapkan pada jaringan sehat, ECM merespons dengan menjadi lebih kaku sementara, properti yang membantu melindungi organ dan jaringan kita dari kerusakan. Selain itu, jaringan dapat memperbaiki kerusakan kecil melalui proses penyembuhan alami. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di Bahan Cakrawalapara peneliti telah menemukan cara untuk menciptakan kembali sifat-sifat biologis yang canggih ini dalam bahan buatan laboratorium.
“Kami mengembangkan material bebas sel-atau aselular-yang secara dinamis meniru perilaku ECM, yang merupakan blok bangunan utama jaringan mamalia yang sangat penting untuk struktur jaringan dan fungsi sel,” jelas penulis yang sesuai Amir Sheikhi, associate professor rekayasa kimia kimia, ” di Penn State, dalam sebuah pernyataan.
Membuat bahan sintetis yang dapat mereplikasi perilaku canggih ini telah terbukti sangat menantang. Upaya sebelumnya menggunakan hidrogel sintetis, bahan yang sebagian besar terbuat dari air yang disatukan oleh jaringan polimer, gagal. Versi-versi sebelumnya ini tidak dapat meniru dengan benar cara jaringan alami merespons kekuatan mekanis sambil mempertahankan kemampuan untuk menyukai diri sendiri.
“Secara khusus, bahan -bahan ini perlu ditiru pengikat regangan nonliniersaat itulah jaringan ECM mengekang di bawah ketegangan yang disebabkan oleh gaya fisik yang diberikan oleh sel atau rangsangan eksternal, ”kata Sheikhi.
Tim Penn State memecahkan masalah ini dengan mengembangkan apa yang mereka sebut “livgels” menggunakan kombinasi inovatif bahan alami. Mereka mulai dengan alginatsebuah polimer yang berasal dari rumput laut, dan memodifikasinya untuk membuat jaringan yang fleksibel. Kemudian mereka merekayasa nanopartikel khusus dari selulosa pulp kayu yang dimodifikasi. Partikel -partikel kecil ini, disebut nlinkersberbentuk batang dengan “rambut” molekul khusus di ujungnya yang dapat membentuk ikatan kimia reversibel.
Partikel Nlinker bertindak seperti titik koneksi dinamis di seluruh jaringan gel. Ketika kekuatan diterapkan pada gel, koneksi ini dapat untuk memecahkan dan reformasi sementara dalam konfigurasi baru, memungkinkan materi menjadi lebih kaku dalam menanggapi stres. Ketika bahan rusak, koneksi reversibel yang sama ini memungkinkan penyembuhan diri.
Melalui pengujian yang cermat, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat mengontrol sifat gel dengan menyesuaikan dua faktor kunci: konsentrasi partikel nlinker dan jumlah ion kalsium yang ditambahkan untuk membuat titik koneksi tambahan. Tunabilitas ini berarti mereka dapat membuat gel dengan berbagai tingkat kekakuan dan respons agar sesuai dengan berbagai jenis jaringan manusia, dari jaringan otak lunak hingga jaringan otot yang lebih kencang.
Tidak seperti alternatif sintetis sebelumnya yang menimbulkan kekhawatiran tentang biokompatibilitas, hidrogel ini menghindari polimer sintetis sepenuhnya. Para peneliti menggunakan metode pengujian khusus untuk menunjukkan bahwa Livgels dapat dengan cepat memulihkan struktur mereka setelah mengalami ketegangan yang tinggi, mengkonfirmasi kemampuan penyembuhan diri mereka.
Dalam kedokteran regeneratif, bahan -bahan baru ini dapat berfungsi sebagai perancah untuk perbaikan dan regenerasi jaringan, menyediakan sel dengan lingkungan yang lebih baik meniru jaringan alami. Untuk pengembangan obat, bahan -bahan ini dapat menciptakan model jaringan yang lebih realistis untuk menguji obat baru. Mereka mungkin juga memungkinkan pengembangan peningkatan bahan bedah dan pembalut luka yang secara aktif mempromosikan penyembuhan.
Di luar aplikasi medis, bahan-bahan ini dapat memajukan bidang robotika lunak, memungkinkan penciptaan robot dengan bagian-bagian yang dapat mengubah kekakuan mereka sesuai kebutuhan dan memperbaiki diri saat rusak. Teknologi ini juga dapat menemukan aplikasi dalam bioprinting 3D, di mana gel ini dapat digunakan untuk membuat struktur seperti jaringan yang disesuaikan.
“Langkah kami selanjutnya termasuk mengoptimalkan livgels untuk jenis jaringan tertentu, mengeksplorasi aplikasi in vivo untuk kedokteran regeneratif, mengintegrasikan livgels dengan platform bioprinting 3D dan menyelidiki potensi dalam perangkat yang dapat dipakai atau ditanamkan dinamis,” kata Sheikhi.
Dengan berhasil meniru sifat dinamis dari jaringan alami, hidrogel ini membuka kemungkinan baru untuk semuanya, mulai dari peningkatan implan medis hingga model penyakit yang lebih realistis. Sementara pengujian yang signifikan tetap sebelum penggunaan klinis, kemajuan ini menunjukkan bagaimana pemahaman sistem biologis alami dapat mendorong inovasi dalam ilmu material.
Ringkasan Kertas
Metodologi
Para peneliti mengembangkan hidrogel mereka melalui proses yang dirancang dengan cermat. Pertama, mereka secara kimia memodifikasi alginat untuk membuat polimer pembentukan jaringan dengan titik lampiran khusus. Secara terpisah, mereka mengubah selulosa pulp kayu melalui serangkaian reaksi kimia untuk membuat partikel nlinker, yang menampilkan dua jenis kelompok kimia yang dapat membentuk ikatan reversibel. Dengan menggabungkan komponen -komponen ini dalam berbagai rasio, kadang -kadang dengan ion kalsium tambahan, mereka menciptakan gel dengan sifat yang berbeda. Mereka kemudian menggunakan peralatan khusus untuk mengukur bagaimana gel menanggapi berbagai jenis tegangan dan ketegangan mekanis.
Hasil
Pengujian mengungkapkan bahwa hidrogel dapat meningkatkan kekakuan mereka ketika mengalami kekuatan mekanis, mirip dengan jaringan alami. Mereka menunjukkan penyembuhan diri yang cepat, memulihkan sifat mereka dalam hitungan detik setelah mengalami ketegangan tinggi. Yang penting, gel mencapai nilai kekakuan (30-591 pa) yang sebanding dengan jaringan lunak alami, dan sifatnya dapat disetel dengan menyesuaikan komposisinya.
Batasan
Sementara hasilnya menjanjikan, penelitian ini berfokus terutama pada sifat mekanik daripada interaksi biologis. Studi lebih lanjut akan diperlukan untuk sepenuhnya memahami bagaimana bahan -bahan ini berinteraksi dengan sel dan jaringan yang hidup dari waktu ke waktu. Kekakuan maksimum yang dicapai juga terbatas dibandingkan dengan beberapa jenis jaringan yang lebih kencang.
Takeaways dan diskusi
Penelitian ini menyajikan pendekatan baru untuk membuat hidrogel dinamis menggunakan komponen yang diturunkan secara alami. Bahan-bahan berhasil meniru sifat mekanik kunci dari jaringan alami, termasuk pengendali regangan dan penyembuhan diri. Tunabilitas dan komposisi alami mereka membuat mereka sangat menjanjikan untuk aplikasi biomedis.
Pendanaan dan pengungkapan
Penelitian ini didukung oleh Penn State, termasuk: The Dorothy Foehr Huck dan J. Lloyd Huck Awal Career Chair; Pusat Konvergensi untuk Sistem Bahan Multifungsi Hidup dan The Cluster of Excellence Living, Adaptive dan Energy-Autonomous Material Systems Living Multifunctional Material Collaborative Research Grant Program Hibah; Lembaga Penelitian Bahan; dan College of Engineering Material penting di hibah benih tingkat manusia. Para penulis menyatakan tidak ada konflik kepentingan.
Informasi publikasi
Penelitian ini diterbitkan di Bahan Cakrawala (2025, Volume 12, Halaman 103-118) oleh penulis Roya Koshani, Sina Kheirabadi, dan Amir Sheikhi dari Departemen Teknik Kimia Universitas Negeri Pennsylvania, Teknik Biomedis, Kimia, dan Institut Afiliasi. Kertas ini berjudul “Hidrogel Aselular Hidup Nano-Engling Responsif Secara Dinamis.”
